发光二极管和半导体激光器

产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带
顶部形成粒子数wk.baidu.com转分布。
考虑激光器工作在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率可
以用N区的准费米能级来计算
f N ( E2 ) e
1
E2 EF kT
价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 f P ( E1 )
价带顶电子占据几率则为 f N ( E1 ) 1 f P ( E1 )
半导体激光器 液晶显示器
阴极射线管
等离子显示
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)和半导体 激光器(laser Diode，简称LD) 都属于发光器件，都采用pn 结或异质结的注入式场致发光的方法发光。它们之间的主 要区别是：发光二极管靠注入的载流子自发复合的自发辐 射，发射的是非相干光；而半导体激光器靠受激辐射，发 射的是相干光，光的单色性、方向性和亮度等都比发光二 极管的好得多。 与其它发光器件相比，半导体发光器件具有体积小、 工作电压低、功耗低、机械性能好、调制方便等优点。因 而有着广阔的应用前景，目前主要用在信息的传递、处理、 存贮和显示方面。 LED 多用于各种仪器仪表的指示器，数 字、文字及其它符号的显示，光通信、精密测距及其它物 理检测的光源。LD在通信、测距、光集成、信息的存贮和 处理等方面具有重要的应用。可是这两类器件，目前还存 在发光效率低、成本高、寿命还不够长等缺点，尚待进一 步研究解决。
本征半导体的能带结构

在热平衡状态下，电子在能带中的分布不再服从波尔兹曼分布，而 是费米分布，能级E被电子占据的几率为:
fn (E ) 1

式中， k 1.381 10 费米能级 。
23
e
E EF kT
1
E F 叫做 J/ K，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，
费米能级并非实在的可由电子占据的能级，而是半导体能带的一个特
E2
hv
E1
在正常状态下，电 子处于低能级E1，在入 射光作用下，它会吸收 光子的能量跃迁到高能 级E2上，这种跃迁称为 受激吸收。电子跃迁后， 在低能级留下相同数目 的空穴。
（2）自发辐射
E2 hv
E1
自发辐射：非相干光
在 高 能 级 E2 的 电 子是不稳定的，即使 没有外界的作用，也 会自动地跃迁到低能 级 E1 上与空穴复合， 释放的能量转换为光 子辐射出去，这种跃 迁称为自发辐射。
征参量。它由半导体材料的掺杂浓度和温度决定，反映电子在半导体内
能带上的分布情况。对于本征半导体，费米能级在禁带的中间位置，价 带能级低于费米能级同时导带能级高于费米能级
杂质半导体的费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系

半导体中产生光放大的的条件是：在半导体中存在双简并能带且入 射光的频率满足
其中T() 为菲涅尔透射系 数。
假定外界介质为空气 (n2 = 1)，外量子效率为：
h ext
Pint 1 P h P 和 out ext int n(n 1) 2 n(n 1) 2
例：LED典型的折射率为3.5，那么其外量子效率为1.41%，即 光功率仅有很小的一部份能够从LED中发射出去。
e 1
E1 EF kT
1
1 e
EF E1 kT
1
在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是
1
f N ( E2 ) f N (E1 )
EF EF E2 E1 Eg
因此结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反
转的条件是N区和P区的准费米能级之差大于禁带 的宽度。
2 发光二极管的工作原理、结构及特性参数
基本原理：外加电场实现粒子数反转，大量电子-空 穴对的自发复合导致发光。
为什么要使用LED： 1. 驱动电路简单 2. 不需要温控电路 3. 成本低、产量高 缺点： 4. 输出功率不高：几个毫瓦 5. 谱宽很宽：几十个纳米到上百纳米 应用场合：短距离传输
一、工作原理
N2 E2 E1 E exp N1 kT
式中， k 1.381 1023 J/ K，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。

在热平衡状态下，总是有N1 N 2。受激吸收速率大于受激辐射速
率。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收 物质。 如果 N 2 N1，即受激辐射速率大于受激吸收速率，当光通过这种 物质时，就会产生放大作用，这种物质称为增益介质（或激活介 质）。
LED的内部量子效率和内部功率
内量子效率 hint
hint
辐射性复合速率 辐射性复合速率 总复合速率 辐射性复合速率 非辐射性复合速率
1
辐射性复合时间 r1 1 1 1 1 辐射性复合时间 非辐射性复合时间 r nr
那么LED的内部发光功率为：
Pint 内量子效率 每秒钟内总的载流子复 合数量 h 注入 LED的电流强度 h 电子电量 I Ihc hint h hint q q 内量子效率
LED的外部量子效率和外部功率
hext
发射出的光子数目 内部产生的光子总数 1 c T 2 sin d 0 4
1 半导体物理基础
pn结注入式场致发光原理

在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称 为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…) 称为 激发态。
电子在低能级与高能级之间可以有3种跃迁，分别
为(1)受激吸收、(2)自发辐射、(3)受激辐射，下面
以E1与E2能级为例进行介绍。
（1）受激吸收

半导体内的粒子分布状态：
N1：处于低能级的粒子数量 (价带电子数/导带空穴数) N2：处于高能级的粒子数量 (导带电子数/价带空穴数) (1) N1 > N2，正常粒子数分布，光吸收大于光辐射。当光通 过这种半导体时，光强按指数衰减。
(2) N2 > N1，粒子数反转状态，光辐射大于光吸收。当光通 过这种半导体时，会产生放大作用。 问题: 如何得到粒子数反转分布的状态?
x和y的值决定了材料的带隙，也就决定了发光波长
三 LED的特性
光谱特性
特点：1. 自发辐射光 -> LED谱线较宽 2. 面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽 3. 长波长光源谱宽比短光源宽 - 短波长GaAlAs/GaAs 谱宽30~50 nm - 长波长InGaAsP/InP 谱宽60~120 nm
3、 LED的单元体积小。在其他显示器件不能使用的极小 的范围内也可使用，再加上低电压、低电流驱动的特点，作 为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用范围还 会进一步扩大。 4、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广 场地面的信号光源，是一个新的应用领域。
四 发光二极管的特点及应用 应用
EF EF h Eg

PN结在扩散运动和漂移运动达到平衡时，P区和N区的费米能级达到 同一水平
当在PN结上加正向电压V时，外电场部分抵消自建场的作用，使PN结
的势垒下降，N区的费米能级相对于P区升高eV。此时非平衡状态下形 成两个准费米能级，形成双简并能带结构

外加电压产生的载流子注入使作用区的导带电子和价带空穴造成复 合跃迁，辐射光子。这种过程产生的是非相干光，自发辐射的跃迁 几率与电子在作用区的平均寿命成反比。
载流子注入
25 mm
5 mm
优点：LED到光纤的耦合效率高
2、边发光二极管
载流子注入
30º 50~70 mm 100~150 mm 120º
优点：与面发光LED比，光出射方向性好 缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低
LED光源的材料和工作波长：
单质半导体材料 -> 间接带隙材料 -> 不适合做光源 化合半导体材料 -> 直接带隙材料 -> 用于做光源 - 如III-V族化合物(由Al、Ga、In和P、As、Sb构成的化合物) LED基本材料： - Ga1-xAlxAs (砷化镓掺铝)：800~850 nm短波长光源 - In1-xGaxAsyP1-y (磷化铟掺砷化镓)：1000~1700 nm长波长光源
LED的P-I特性
15
发射功率 P (mW)
10
正面发光
5
侧面发光
0 0
100 200 300 400 500 电流 I / mA
1. 驱动电流较小 -> LED P-I特性线性度好 2. 驱动电流较大 -> pn结发热产生饱和现象 -> 曲线斜率减小 通常，LED工作电流为50~100mA，输出光功率为几毫瓦
发光二极管（light emitting diode，LED），是利 用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的， 是自发辐射发光，发射的是非相干光。
光输出 N-AIyGa1-yAs
N P
反型异质结
P- GaAs
同型异质结
P-AIxGa1-xAs
双异质结半导体发光二极管的结构示意图
二、基本结构
1、面发光二极管
（3）受激辐射
E2 hv hv
hv
E1
在高能级E2的电子， 受到入射光的作用， 被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合，释放 的能量产生光辐射， 这种跃迁称为受激辐 射。
受激辐射：相干光
设在单位物质内，处于低能级E1和处于高能级E2的粒子数分别为N1和 N2。当系统处于热平衡状态时，粒子分布遵循玻耳兹曼统计分布
发光二极管和半导体激光器
主要内容
概述 半导体物理基础 发光二极管的结构、原理和特性参数 半导体激光器的结构、原理和特性参数

概述
固体发光材料在电场激发下产生的发光现 象称为电致发光。它是将电能直接转换为光能 的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发 光器件。 ★ 发光二极管
★
★ ★ ★
四 发光二极管的特点及应用
1、 LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。 2、 LED的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料，可 以实现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红色 LED，GaAaP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED等。
而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。
(1) (2)
指示灯: LED正在成为指示灯的主要光源 光源: 电视机、空调等的遥控器的光源 干涉仪的光源 低速率、短距离光纤通信系统的光源
（3）数字显示用显示器: 点矩阵型和字段型两种 方式 平面显示器: 可进行电视画面显示
1) 最简单的七段式数码管 2) 14列字码管
3) 在文字显示上，通常是把二极管作矩阵排列